5G落地進(jìn)入爆發(fā)期，是時(shí)候讓毫米波登場(chǎng)了
2021年，全球5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和發(fā)展取得了不俗的成績(jī)。
根據(jù)GSA于8月發(fā)布的數(shù)據(jù)，已有70多個(gè)國(guó)家及地區(qū)的超過175家運(yùn)營(yíng)商，推出了5G商用服務(wù)。還有285家運(yùn)營(yíng)商，正在投資部署5G。
中國(guó)的5G建設(shè)步伐，更是走在了世界的前列。國(guó)內(nèi)5G基站數(shù)已經(jīng)突破百萬，達(dá)到驚人的115.9萬個(gè)，占比全球70%以上。也就是說，全球每3個(gè)5G基站，就有2個(gè)位于中國(guó)。
5G基站
5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，加速了5G在消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)及產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的落地。尤其是垂直行業(yè)方面，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有超過1萬個(gè)5G應(yīng)用案例，覆蓋了工業(yè)制造、能源電力、港口礦山、物流運(yùn)輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域。
毫無疑問，5G已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的利器，也是整個(gè)社會(huì)數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的引擎。
然而，就在5G應(yīng)用加速落地的同時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的5G技術(shù)，在一些特殊的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，已經(jīng)開始表現(xiàn)出“力不從心”的狀態(tài)。速率、容量、時(shí)延以及可靠性方面，并不能100%滿足場(chǎng)景的需求。
這是為什么呢？難道被人們寄予厚望的5G，還是難當(dāng)大任？
當(dāng)然不是。之所以會(huì)出現(xiàn)5G“力不從心”的情況，主要原因在于——我們現(xiàn)在只用了“半個(gè)5G”。
相信很多人都知道，5G雖然標(biāo)準(zhǔn)是唯一的，但頻段卻有兩種。一種叫Sub-6 GHz頻段，頻率范圍是6GHz以下（準(zhǔn)確來說，是7.125GHz以下）。另一種叫毫米波頻段，頻率范圍是24GHz以上。
2個(gè)頻段的范圍對(duì)比
我們國(guó)內(nèi)目前只商用了Sub-6 GHz頻段的5G，沒有商用毫米波頻段的5G。所以，5G的全部能量，并沒有得到徹底釋放。
毫米波的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
Sub-6 GHz頻段的5G，和毫米波頻段的5G，雖然都是5G，但性能特點(diǎn)差異巨大。
根據(jù)中學(xué)物理課本上的知識(shí)，無線電磁波，頻率越高，波長(zhǎng)越短，繞射能力越差。而且，頻率越高，穿透損耗越大。所以，毫米波頻段的5G，覆蓋能力明顯弱于前者。這是國(guó)內(nèi)沒有第一時(shí)間商用毫米波的主要原因，也是人們質(zhì)疑毫米波的理由。
其實(shí)，這個(gè)問題的深層次邏輯和事實(shí)真相，和大家的想象并不太一樣。或者說，我們對(duì)毫米波，其實(shí)存在一些錯(cuò)誤的偏見。
首先，從技術(shù)的角度來說，我們必須擁有一個(gè)共識(shí)，那就是——在現(xiàn)有通信基礎(chǔ)理論沒有革命性變化的前提下，想要進(jìn)一步顯著提升網(wǎng)絡(luò)的速率帶寬，只能在頻譜上做文章。
向更高的頻段尋求更豐富的頻譜資源，是移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的必然選擇。現(xiàn)在的毫米波是如此，將來6G可能采用的太赫茲，也是如此。
毫米波頻譜示意圖
目前，Sub-6 GHz頻段最大100MHz的頻寬（國(guó)外有的地方甚至只有10MHz或20MHz），想要實(shí)現(xiàn)5Gbps乃至10Gbps的速率，難度實(shí)在太大。
而5G毫米波，頻帶達(dá)到200MHz-800MHz，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)就變得容易很多。
不久前，2021年8月，高通攜手中興通訊，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首次采用5G SA雙連接（NR-DC），基于26GHz毫米波頻段的200MHz載波信道以及3.5GHz頻段的100MHz帶寬，合力實(shí)現(xiàn)超過2.43Gbps的單用戶下行峰值速率。
兩家公司還基于26GHz毫米波頻段的四個(gè)200MHz載波信道，利用載波聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超過5Gbps的單用戶下行峰值速率。
今年6月，在MWC巴塞羅那展上，高通利用驍龍X65，基于n261毫米波頻段的8路聚合（單載波帶寬為100MHz）以及n77頻段的100MHz帶寬，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10.5Gbps的峰值速率。這是目前業(yè)界最快的蜂窩通信速率。
單載波帶寬100MHz和200MHz就能達(dá)到這樣的效果，未來基于單載波400MHz、800MHz，無疑能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)超10Gbps的速率！
除了速率的顯著提升之外，毫米波的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是更低的時(shí)延。
因?yàn)樽虞d波間隔方面的原因，5G毫米波的時(shí)延可以做到Sub-6GHz的四分之一。根據(jù)測(cè)試驗(yàn)證，5G毫米波的空口時(shí)延可以做到1ms，往返時(shí)延可以做到4ms，表現(xiàn)極為出色。
毫米波的第三個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是體積小巧。
毫米波的波長(zhǎng)很短，所以，它的天線非常短。這樣一來，毫米波設(shè)備的體積就可以進(jìn)一步縮小，擁有更高的集成度。廠商設(shè)計(jì)產(chǎn)品的難度有所降低，有利于促進(jìn)基站和終端的更加小型化。
毫米波天線（黃色顆粒為天線振子）
更加密集的大規(guī)模天線陣列，更多的天線振子，對(duì)波束賦形的運(yùn)用也極為有利。毫米波天線的波束可以打得更遠(yuǎn)，抗干擾能力更強(qiáng)，有利于彌補(bǔ)覆蓋劣勢(shì)。
振子越多，波束越窄，距離越長(zhǎng)
毫米波的第四個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是高精度的定位能力。
無線系統(tǒng)的定位能力，和它的波長(zhǎng)有密切的關(guān)系。波長(zhǎng)越短，定位精度越高。
毫米波的定位，可以精確到厘米級(jí)甚至更低。這也是為什么現(xiàn)在很多汽車都在采用毫米波雷達(dá)的原因。
說完了毫米波的優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)倩剡^頭來，說說毫米波的缺點(diǎn)。
任何（通信）技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。毫米波的缺點(diǎn)，大家應(yīng)該都很清楚，就是穿透能力弱，覆蓋距離短。
前文中，我們提到，毫米波可以通過波束賦形增強(qiáng)的方式，增強(qiáng)覆蓋距離。也就是說，將大量天線的能量都集中到某個(gè)方向，從而使信號(hào)向特定的方向增強(qiáng)。
現(xiàn)在的毫米波，都采用了高增益定向陣列天線，通過多波束技術(shù)，應(yīng)對(duì)移動(dòng)性挑戰(zhàn)。根據(jù)實(shí)踐結(jié)果，支持窄波束的模擬波束賦形，可以有效克服24GHz以上頻段的顯著路徑損耗。
高增益定向天線陣列
除了波束賦形之外，毫米波的多波束，還可以更好地實(shí)現(xiàn)波束切換、波束導(dǎo)向和波束追蹤。
波束切換，是指終端在持續(xù)變化的環(huán)境中，可以選擇更適合的候選波束，進(jìn)行合理切換，達(dá)到更好的信號(hào)效果。
波束導(dǎo)向，則是指終端可以改變上行波束方向，以匹配來自gNodeB的入射波束方向。
而波束追蹤，是指終端可以區(qū)分來自gNodeB的不同波束。波束可以隨著終端的移動(dòng)而移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的天線增益。
毫米波增強(qiáng)的波束管理能力，可以有效改善信號(hào)的可靠性，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的信號(hào)增益。
毫米波還可以采用路徑分集的方式，通過垂直分集和水平分集，應(yīng)對(duì)阻擋問題。
路徑分集的仿真效果演示
在終端側(cè)，通過終端天線分集，也可以提升信號(hào)的可靠性，緩解手部阻擋問題，并降低用戶隨機(jī)方位造成的影響。
終端分集的仿真效果演示
綜上所述，隨著毫米波反射技術(shù)和路徑分集的深入研究，通過更先進(jìn)的多波束技術(shù)，已經(jīng)極大地改善了毫米波的覆蓋問題，實(shí)現(xiàn)了非視距（NLOS）傳輸。毫米波在技術(shù)方面，已經(jīng)解決了此前的瓶頸，變得越來越成熟，完全可以滿足商用需求。
在產(chǎn)業(yè)鏈方面，5G毫米波也遠(yuǎn)比大家想象中更成熟。
上個(gè)月，中國(guó)聯(lián)通研究院無線技術(shù)研究中心總監(jiān)李福昌就明確表示：“目前，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈能力已趨于成熟。”
在年初的MWC上海展上，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商也表示：“在頻譜、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)的支持下，毫米波已經(jīng)取得積極的商業(yè)化進(jìn)展，到2022年，5G毫米波將具備規(guī)模化的商用能力。”
毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景
說完了毫米波的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，我們?cè)賮砜纯此木唧w應(yīng)用場(chǎng)景。
眾所周知，對(duì)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用，最重要的就是“揚(yáng)長(zhǎng)避短”。也就是說，一個(gè)技術(shù)，要用在最能發(fā)揮它優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)景下。
5G毫米波的優(yōu)勢(shì)是速率、容量、時(shí)延。所以，它最適合的地方，就是機(jī)場(chǎng)、車站、劇院、體育館等人員密集場(chǎng)所，以及工業(yè)制造、遠(yuǎn)程控制、車聯(lián)網(wǎng)等對(duì)時(shí)延非常敏感的垂直行業(yè)場(chǎng)景。
從具體的應(yīng)用領(lǐng)域來說，虛擬現(xiàn)實(shí)、高速接入、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療健康、智能交通等，都是5G毫米波的用武之地。
我們先來看看消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。
對(duì)于普通個(gè)人用戶來說，最大的帶寬需求來自視頻，最大的時(shí)延需求來自于游戲。對(duì)帶寬和時(shí)延有雙重需求的，就是VR/AR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）。
VR/AR技術(shù)現(xiàn)在發(fā)展迅速，包括最近非常火的元宇宙，也和它們有著密不可分的關(guān)系。
想要獲得完美的沉浸式體驗(yàn)，徹底消除眩暈感，VR的視頻分辨率必須在8K以上（甚至16K、32K），時(shí)延必須在7ms以內(nèi)。毫無疑問，5G毫米波是最適合的無線傳輸技術(shù)。
高通和愛立信基于5G毫米波，進(jìn)行了XR測(cè)試，為每位用戶帶來了每秒90幀、2K×2K分辨率的XR體驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)低于20ms的時(shí)延，下行鏈路平均吞吐量超過50Mbps。
測(cè)試結(jié)果表明，僅部署1個(gè)系統(tǒng)帶寬為100MHz的gNodeB，就可以同時(shí)支持6個(gè)XR用戶的5G接入。在未來5G特性的支持下，更有望支持超過12位用戶同時(shí)接入。
XR測(cè)試
5G毫米波面向C端消費(fèi)者用戶的另一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景，就是大型體育賽事的直播。
2021年2月，美國(guó)橄欖球賽季總決賽“超級(jí)碗”在雷蒙德·詹姆斯體育場(chǎng)舉辦。
美國(guó)知名運(yùn)營(yíng)商Verizon在高通的助力下，利用5G毫米波技術(shù)，把該體育場(chǎng)打造成了世界上網(wǎng)速最快的體育場(chǎng)。
比賽期間，5G毫米波網(wǎng)絡(luò)承載了超過4.5TB的總流量，部分場(chǎng)景下峰值速率高達(dá)3Gbps，約為4G LTE的20倍。
上行速度方面，這屆超級(jí)碗是全球首個(gè)使用5G毫米波上行鏈路傳輸?shù)闹匾愂隆：撩撞ǖ膸Y(jié)構(gòu)靈活，可以調(diào)整上下行幀配比，實(shí)現(xiàn)更高的上行帶寬。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，即便是高峰時(shí)刻，5G毫米波都比4G LTE快50%以上。借助強(qiáng)大的上行能力，球迷可以上傳照片和視頻，分享比賽精彩瞬間。
Verizon還打造了一款應(yīng)用，支持球迷同時(shí)觀看7路串流高清賽事直播，7個(gè)攝像頭從不同角度呈現(xiàn)比賽。
2022年，第24屆冬奧會(huì)將在北京開幕。屆時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)既會(huì)有觀眾手機(jī)帶來的接入和流量需求，也會(huì)有媒體轉(zhuǎn)播帶來的回傳數(shù)據(jù)需求。尤其是多路4K高清視頻信號(hào)，全景攝像機(jī)視頻信號(hào)（用于VR觀賽），對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的上行帶寬提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
針對(duì)這些挑戰(zhàn)，中國(guó)聯(lián)通就打算使用5G毫米波技術(shù)，進(jìn)行積極應(yīng)對(duì)。
今年5月，中興、中國(guó)聯(lián)通和高通做過測(cè)試，采用5G毫米波+大上行幀結(jié)構(gòu)，可以將實(shí)時(shí)采集的8K視頻內(nèi)容實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的回傳，并最終在接收端成功接收進(jìn)行回放。
再來看看垂直行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。
5G毫米波在toB方面，應(yīng)用前景更為廣闊，可以說是如魚得水。
首先，前面說的VR/AR，其實(shí)也是可以用于toB行業(yè)的。
例如，工程師可以通過AR，對(duì)異地的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢，對(duì)異地工程師進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，還可以對(duì)異地貨物進(jìn)行遠(yuǎn)程驗(yàn)收。在疫情期間，這些應(yīng)用可以幫助企業(yè)解決實(shí)際問題，大幅削減成本
再看看視頻回傳應(yīng)用。現(xiàn)在很多工廠生產(chǎn)線都安裝了大量的攝像頭，包括一些用于質(zhì)檢的高清攝像頭。這些攝像頭通過拍攝大量的高清產(chǎn)品圖片，進(jìn)行缺陷分析。
例如，中國(guó)商飛公司就通過這種方式，對(duì)產(chǎn)品焊點(diǎn)以及噴涂表面進(jìn)行金屬裂縫分析。照片拍攝之后，需要上傳到云端或MEC邊緣計(jì)算平臺(tái)，需要700-800Mbps的上行速度。采用5G毫米波大上行幀結(jié)構(gòu)，可以輕松應(yīng)對(duì)。
還有一個(gè)和5G毫米波技術(shù)關(guān)系密切的場(chǎng)景，那就是AGV無人車。
5G毫米波支持AGV運(yùn)行
AGV其實(shí)就是一個(gè)小型化的無人駕駛場(chǎng)景。AGV的定位導(dǎo)航、調(diào)度避障，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和可靠性要求很高，對(duì)精確定位能力的要求也很高。大量AGV的實(shí)時(shí)地圖更新，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了要求。
采用5G毫米波，能夠充分滿足AGV應(yīng)用場(chǎng)景的上述要求。
2020年1月，愛立信和奧迪在瑞典基斯塔的工廠實(shí)驗(yàn)室，成功地測(cè)試了基于5G毫米波的5G uRLLC功能和實(shí)際工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。
其中，他們共同構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器人單元，采用5G毫米波進(jìn)行連接。
如上圖所示，機(jī)器人手臂在制造方向盤的時(shí)候，激光幕可以保護(hù)著機(jī)器人單元的開口側(cè)。如果工廠工人伸手進(jìn)來，基于5G uRLLC的高可靠性，機(jī)器人將立即停止工作，避免工人受到傷害。
這種保證可靠性的即時(shí)響應(yīng)，在傳統(tǒng)Wi-Fi或4G中是不可能實(shí)現(xiàn)的。
以上所舉的例子，只是5G毫米波的部分應(yīng)用場(chǎng)景。除了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域之外，像智慧醫(yī)療里的遠(yuǎn)程手術(shù)，車聯(lián)網(wǎng)里的無人駕駛，都是5G毫米波的強(qiáng)項(xiàng)。
作為一個(gè)擁有高速率、大容量、低時(shí)延、高可靠性、高定位精度等諸多優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)技術(shù)，5G毫米波已經(jīng)得到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。
結(jié)語
21世紀(jì)，是屬于數(shù)據(jù)的世紀(jì)。
數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的巨大商業(yè)價(jià)值，已經(jīng)被世人所認(rèn)可。如今，幾乎所有的產(chǎn)業(yè)，都在尋找自身與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，參與數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘。
以5G為代表的連接技術(shù)，以及以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的計(jì)算技術(shù)，都是挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值不可或缺的重要工具。
充分運(yùn)用5G，尤其是毫米波頻段的5G，無異于掌握了一把數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“金鑰匙”，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)力的革新飛躍，也能夠在未來的激烈競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。
總而言之，5G毫米波的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)全面走向成熟。隨著5G行業(yè)應(yīng)用逐漸走入深水區(qū)，我們應(yīng)該加緊推動(dòng)5G毫米波的國(guó)內(nèi)商用落地，實(shí)現(xiàn)Sub-6與毫米波的協(xié)同發(fā)展。
唯有如此，我們才能真正釋放5G全部的潛能，為整個(gè)社會(huì)注入5G之心！
